概述
光伏逆變器是將光伏（PV）太陽能板產生的可變直流電壓轉換為市電頻率交流電（AC）的逆變器，并網輸入到電網輸電系統(tǒng)。光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中重要的組成部分，可以配合一般交流供電的設備使用。為給客戶提供一個穩(wěn)定高效、安全可靠、支持快速驗證與二次開發(fā)的光伏微型并網逆變器的參考設計方案，廣芯微電子（廣州）股份有限公司采用自研UM3243F主芯片，設計了一套2-in-1光伏微型并網逆變器方案平臺，實現(xiàn)單級變壓拓撲，單板尺寸僅為175mm x 155mm，單板高度為23mm。該拓撲結構還可用于AC-DC開關電源等數(shù)字電源領域，有助于提升效率、縮減尺寸、減少BOM和降低功耗。
本光伏微型逆變器參考設計平臺具有以下優(yōu)點：
1. 高效率：市面主流的光伏逆變器采用雙級功率轉換結構，本方案采用單級變壓結構，減少功率轉換帶來的損耗，提高率轉效率；
2. 拓撲結構精益：采用單級變壓結構，有效減少功率零件和信號采樣數(shù)量，功耗更低、發(fā)熱更少；
3. 緊湊尺寸: 采用自研Cortex-M4微處理器UM3243F芯片以及精益拓撲結構，進一步精簡單板尺寸與元器件成本；
4. 保護：輸入過壓過流保護、輸出過流保護、電網電壓和頻率檢測及保護；
5. 無線通信：基于互聯(lián)網的WiFi無線通訊，可實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)和電量，并可搭配廣芯微自研的Sub-GHz 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以支持公里級戶外數(shù)據(jù)無線傳輸，提供更加靈活的應用場景。
硬件方案介紹
在光伏微型逆變器控制模塊中，主要組成部分包括廣芯微自研主控高性能數(shù)字電源MCU UM3243F、功率半導體、無源元件和柵極驅動電路等。通過獨立UM3243F控制，實現(xiàn)兩路光伏電流輸入，一路交流電流輸出的2-in-1光伏微型逆變器方案。UM3243F以其高性能指標與數(shù)字電源控制算法，可以完全取代以往基于DSP的實現(xiàn)方案。
光伏微型逆變器方案
軟件方案介紹
對光伏板和交流網進行電壓、電流采樣，通過“調頻移相”控制方法實時計算出需要的開關頻率和移相角度，實現(xiàn)對輸入到220V/50Hz、220V /60Hz電網的交流電流的精確控制，同時獲得高質量的輸出電流和最大功率點跟蹤（MPPT）。
光伏微型逆變器方案系統(tǒng)框圖
保護方案介紹
輸入過壓保護：當直流側輸入電壓高于逆變器允許的最大值時，逆變器不會啟動或停止運行(當正在運行時)，同時會通過無線通信上送報警信息。直到直流側電壓恢復到逆變器允許的工作范圍后，逆變器將會再自動正常啟動運行。
輸入過流保護：當微型逆變器運行時，其輸入電流高于允許的最大值時，逆變器(當正在運行時) 會止運行并通過無線通信上送報警信息。
輸出過流保護:當微型逆變器運行時，其輸出電流峰值高于允許的最大輸值時，逆變器會止運行并通過無線通信上送報警信息。
輸出過/欠壓，過/欠頻保護：逆變器會實時測量交流電網的電壓和頻率，如果發(fā)現(xiàn)過/欠壓，過/欠頻等異常狀態(tài)，逆變器會止運行并通過無線通信上送報警信息。在電網電壓、頻率恢復到允許的范圍時，逆變器會再自動正常啟動運行。
微型光伏逆變器平臺演示板
下圖是2-in-1 600W 光伏微型逆變器平臺的演示板
2-in-1微型光伏逆變器的演示板 單板尺寸175mm （長）x 155mm（寬）
功能參數(shù)及測試波形
功能參數(shù)
功率：2 x 300W
峰值效率：~96.2%
電流總諧波畸變率：< 4%
功率因數(shù)：>0.99
測試波形
下圖是微型逆變器工作在187 – 254V電網電壓下2 x 300W功率輸出的波形，微型逆變器可以在不同的電網電壓下進行可靠工作。
下圖是微型逆變器在20 – 100%光照下的動態(tài)最大功率點跟蹤效果。微型逆變器可以在不同的光照情況下，對光伏板最大功率點進行準確跟蹤，確保最大發(fā)電量。
下圖是微型逆變器在220V 50Hz和60Hz的交流電網下工作波形，微型逆變器可以應用到不同交流電網場合。
220V/60Hz 電網
220V/50Hz 電網
UM3243F芯片特點：
· ARM Cortex -M4F內核，工作頻率最高可達到240MHz；
· 支持DSP指令與單精度FPU；
· 內置自研硬件運算協(xié)處理器Cordic運算單元；
· ADC支持單端和差分，最高采樣率6.375Msps；
· PWM精度最高2.08ns；
· 內建加解密引擎AES(128/256）和SHA256；
· 動態(tài)功耗：100uA/MHz（低壓模式下80uA/MHz）；
· 支持SDIO，CAN， EMAC接口。
關于廣芯微
廣芯微電子（廣州）股份有限公司聚焦光伏新能源、物聯(lián)網、工業(yè)控制和汽車電子產業(yè)，為客戶提供差異化的微處理器芯片與性能卓越的模擬與射頻前端芯片，以及低功耗IoT方案平臺，數(shù)字電源方案平臺和電機控制方案平臺。廣芯微獨有的低功耗芯片設計方法、高效率的變頻電控技術、大功率的PD快充協(xié)議以及多樣性無線連接技術整合而成創(chuàng)新與差異化的集成電路設計，在健康醫(yī)療電子、消費電子、智慧家庭、工業(yè)控制、傳感器與表計等領域已經得到了廣泛的應用。
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